第13章 压力容器的开孔与补强 本章重点内容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax =t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension
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压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随
着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即
目录 1前言及概念3 1.1开孔补强的适应范围和方法 (3) 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (3) 1.3开孔补强的目的 (4) 1.4补强结构(补强元件类型) (4) 1.4.1加强管补强 (4) 1.4.2整体锻件补强 (4) 1.4.3加强圈的补强 (4) 1.5壳体开孔的有关规定 (5) 1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (5) (5) 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max 1.6等面积补强计算方法 (6) 1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (6) 1.6.2等面积补强的原则 (6) 1.6.3等面积补强计算方法 (6) 2工艺设计 8 2.1设计要求 (8) 2.2连续釜式反应器工艺设计 (8) 2.2.1单段连续釜式反应器 (8) 2.2.2反应器直径和高度的计算 (9) 3 机械设计9 3.1手孔的开孔补强计算 (9) 3.1.1计算是否需要补强 (10) 3.1.2计算开孔失去的面积A (10) 3.1.3计算有效补强面积A (11) 3.2进料口的开孔补强计算 (11) 3.2.1计算是否需要补强 (11) 4补强结构图12 5总结13 6参考文献 13
1前言及概念 在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。 1.1开孔补强的适应范围和方法 (1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时， 开孔最大直径d≤l／3Di，且d≤1000mm； (2)凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤1／2Di； (3)锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径； (4)在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (1)补强圈补强 补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。 (2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强) 采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。 (3)整体加厚壳体补强 整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显
压力容器开孔接管处的应力分类 及补强设计方法的比较 王 磊Ξ (南通职业大学) 摘 要 针对压力容器在开孔部位尤其大开孔接管部位具有严重的应力集中现象,从应力分类的基本原理出发,分析了开孔边缘的复杂应力状态,并对大开孔有限元应力分析结果的应力分类评定提出建议;比较分析了几种大开孔补强方法的异同点,阐述了工程设计中如何进行应力分类和选择合适的补强方法,对一些有争议的问题提出了作者的观点。 关键词 应力分类 分析设计 开孔补强方法 有限元分析 AS ME法 中图分类号 T Q05113 文献标识码 A 文章编号 025426094(2004)0520307205 应力分类概念在压力容器设计中应用已相当广泛,应力分类的方法主要用于压力容器的分析设计,对某些结构,在常规设计标准G B15021998或G B15121999中也引入了应力分类的概念。对于压力容器,由于工艺流程的需要,不可避免地要在主要受压件上开孔,由此必然会在开孔边缘形成比较复杂的应力状态。如何正确地进行应力分析及采取相应的应力分类方法,是工程设计人员首先要考虑的。本文从应力分类的基本原理出发,阐述如何对压力容器开孔接管处的应力进行分类,以及相应的补强方法。 1 应力分类的基本思想 按应力分类准则[1],应力分为以下3类: a.一次应力是为平衡外加的机械载荷而在容器受压元件中直接产生的正应力或剪应力,其基本特征是无自限性。一次应力对应静力强度问题,控制一次应力是为了保证结构在一次加载条件下的总体静力强度,是必须首先满足的。 b.二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的正应力或剪应力,其基本特征是具有自限性。二次应力对应安定性问题,控制二次应力是为了保证相邻元件在变形协调过程中,避免产生过大的塑性变形,以防止在多次加载条件下发生拉伸与压缩交替的塑性变形而产生大应变疲劳破坏。局部薄膜应力虽然也有二次应力的特点,但该应力沿整个壁厚方向是均布的,故仍保守地视为一次应力,但在工程应用中允许其达到屈服限。 c.峰值应力是由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量,其特征是同时具有自限性与局部性。峰值应力对应疲劳强度,控制峰值应力是保证结构局部高应力区域不会在频繁加载条件下发生从裂纹萌生、扩展直至造成断裂的疲劳破坏。因此,仅在需进行疲劳设计的场合才计算峰值应力。 自限性是区分3类应力的核心。无自限应力为一次应力;有自限的应力根据所满足的变形协调的意义分为二次应力和峰值应力。满足板壳理论中面变形协调条件,即总体结构连续要求产生的应力为二次应力;满足局部结构连续要求产生的应力为峰值应力,通常发生于夹角处。 2 壳体开孔接管处的应力分类 按照文献[1]的应力分类法,压力容器开孔后,接管与壳体连接部位引起的应力有:沿壁厚方 Ξ王 磊,女,1968年7月生,工程师。江苏省南通市,226007。
（情绪管理方法）压力容器的开孔与补强
第13章 压力容器的开孔与补强 本章重点内容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax =t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension 设有一个尺寸很大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力集中问题可以利用弹性力学的方法进行求解。承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示，只要板宽在孔径的5倍以上，孔附近的应力分量为：
目录 1前言及概念 2 1.1开孔补强的适应范围和方法 (2) 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (2) 1.3开孔补强的目的 (3) 1.4补强结构(补强元件类型) (3) 1.4.1加强管补强 (3) 1.4.2整体锻件补强 (3) 1.4.3加强圈的补强 (3) 1.5壳体开孔的有关规定 (4) 1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (4) 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max (4) 1.6等面积补强计算方法 (5) 1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (5) 1.6.2等面积补强的原则 (5) 1.6.3等面积补强计算方法 (5) 2工艺设计7 2.1设计要求 (7) 2.2连续釜式反应器工艺设计 (7) 2.2.1单段连续釜式反应器 (7) 2.2.2反应器直径和高度的计算 (8) 3 机械设计 8 3.1手孔的开孔补强计算 (8) 3.1.1计算是否需要补强 (9) 3.1.2计算开孔失去的面积A. (9) 3.1.3计算有效补强面积A0 (10) 3.2进料口的开孔补强计算 (10) 3.2.1计算是否需要补强 (10) 4补强结构图11 5总结12 6参考文献12
1前言及概念 在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。 1.1开孔补强的适应范围和方法 (1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时， 开孔最大直径d≤l／3Di，且d≤1000mm； (2)凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤1／2Di； (3)锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径； (4)在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (1)补强圈补强 补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。 (2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强) 采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。 (3)整体加厚壳体补强 整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显
第十二章 压力容器开孔与接管 一. 重点 1. 壳体开孔的压力特点 2. 开孔接管的应力集中系数的定义 3. 开孔补强的目的 4. 开孔补强的结构及方法 5. 等面积补强的原则 6. 等面积补强计算面积有哪些? 二. 壳体上开孔的原因 三. 壳体上开孔后产生的问题 1. 开孔后,造成壳壁不连续,在孔边缘产生应力集中 2. 接管后,壳体与管的结构不连续,产生的附加弯应力 3. 壳体接管的拐角处,由于r 引起的局部应力. 结果:使孔附近的应力比薄膜应力大5-6倍,产生疲劳破坏和脆裂 12.1 容器壳体开孔时的应力分析 一.平板开小圆孔的应力分析 分析条件: 板长,宽>>孔径2a 载荷q//作用于板上 1. 单向拉伸时的应力分析 (1) 孔区附近的应力解 (12-1)式 利用弹性力学理论解知 (2) 孔边缘处的应力特点: ①r=a 时 孔边缘处的应力??? ??-===)2cos 21(00θστσθ θq r r ②r=a 时 孔边缘处的周向应力分布特点: q q q q 32 0=±=-==θθσπ θσπθ方向的时，垂直于当方向的时，平行于、当 ③r>a 时θσ随r 的增大而迅速减小.由(12-1)式可知. 2. 双向拉伸时的应力分析: 二.薄球壳开小孔的应力分析
1.分析对象:在开孔区域的壳近似板较小较大 球半径≈? ????==q q q D R 21δ 2.孔区附近的应力解 利用q q q ==21代入(12-4)可知(12-5),即 112222=? ?? ? ??+=? ??? ??-=θθτσσr r r a q r a q 3. 孔边缘处的应力特点:①当r=a 时,孔边缘应力?????====max 200 σ στσθ θ q r r ②孔边缘应力θσ=孔区域薄膜应力q 的2倍. 四. 圆筒壳开小孔 1.分析对象: k 较大, D /δ较小, )2(221φθσσ== q q 2.应力解: 利用212q q =代入(12-4)可知(12-6) 3.孔边缘处的应力特点: (1)当r=a 时?????-===) 2cos 23(0 2θστσθ θq r r (2) θσ在孔边缘r=a 处的分布规律:?? ? ??==±====2max 2 min 20q q σσπ θσσπθθθ时，当时，、当 说明:max θσ比孔口区域筒壳中θσ大2.5倍.(θσ2 12112==q q ) 五. 平板开椭圆孔的应力分析 1.单方向受拉伸时的应力分析 (1)长轴平行于受拉方向时: ①孔口处r=a 时的应力解(12-8) 由于其应力表达式较复杂,仅给出最重要的孔口应力表达式,即???-===) 812(0 θθστσr r ②特点:孔口处的θσ分布规律:
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求 引言 压力容器上的开孔不仅影响结构强度，还会因为接管有着各种载荷所产生的应力、温度应力，以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往是造成容器破坏的根源，所要解决这些问题，就必须了解开孔补强中的规定以及要求。 1.压力容器补强结构解析与一般规定压力容器的补强结构可分为：补强圈搭焊结构和整体补强结构。 1.1补强圈搭焊结构补强当容器采用补强圈搭焊结构时，其应当 符合的基本的条件 为，容器壳体名义厚度不得大于38mm补强圈的材料厚度不得 大于1.5 倍容器壳体的厚度尺寸；使用低合金钢的标准抗拉强度 应当小于540MPa若条件许可，优先举荐使用厚壁管代替补强圈进行补强。 当容器为低温压力容器的时候，补强接管应当尽可能采用后壁管进行补强，焊接焊缝应当使用全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；带补强板的接管与容器器壁的连接接头应当符合相当于 HG/T20583中的G28 G29 G30 G33的要求。补强板采用与器壁相同的材料，带补强板的结构不得用于容器器壁厚度大于30mm 的场合，也不适用于设计温度低于-40°的场合。带补强圈的接 管与壳体的连接，以及补强圈与壳体搭接的角焊接头壳采用
GB15 0中所示结构进行，且接管端部应与容器表面齐平，端部内角应当打磨成R不小于3mm勺圆角。 ?a 强圈虽然结构简单，易于加工，但是补强效果较差，补强圈与壳体之间勺间隙不可避免，同时虽然补强圈上设有排气孔，但是补强圈结构在最终勺热处理后应力缺很复杂。 1.2整体补强结构补强当具有下列条件时，应当采用整体补强或 者局部整体补强。 ①高强度钢(标准抗拉强度大于540MPa和铬钼钢(如 15CrMoR 14Cr1MoR 12Cr2Mo1R 制造的压力容器； ②补强圈勺厚度大于1.5 倍容器壁厚度； ③设计压力大于或者等于4MPa的第三类容器； ④容器的壳体壁厚大于或者等于38mm； ⑤疲劳压力容器或者容器盛装介质为毒性的高位介质容器。 2.等面积补强法与压力面积法的异同 国内根据国家标准GB150压力容器中压力容器的开孔补强，从设计方法分区可以分为，等面积法，极限分析法，安定性分析法。对比根据西德受压容器和西德蒸汽锅炉技术规程中采用的压力面积法，压力面积法可用于开孔率达0.8 的大开孔结构的情况，其计算方式为：()PW ] 式中： A补强范围内的压力作用面积；
压力容器常用开孔补强方法对比分析 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，
而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，
文件编号：GD/FS-2254 （解决方案范本系列） 压力容器常用开孔补强方法对比分析详细版 A Specific Measure To Solve A Certain Problem, The Process Includes Determining The Problem Object And Influence Scope, Analyzing The Problem, Cost Planning, And Finally Implementing. 编辑：_________________ 单位：_________________ 日期：_________________
压力容器常用开孔补强方法对比分 析详细版 提示语：本解决方案文件适合使用于对某一问题，或行业提出的一个解决问题的具体措施，过程包含确定问题对象和影响范围，分析问题，提出解决问题的办法和建议，成本规划和可行性分析，最后执行。，文档所展示内容即为所得，可在下载完成后直接进行编辑。 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究应力集中危害问题要通过正确的方式强化管理，实现补强计算分析，进而充分的保障压力容器的安全性，提升整体的经济性。通过开孔补强计算方式，可以有效的解决此种问题。 1.压力容器圆筒大开孔补强计算方法应用价值 多数工程具有复杂化、大型化以及工艺特殊的特征，在施工中一些压力容器要通过较大的开孔接管进行处理，此种方式会转变原有容器的应力状态，消弱压力容器的强度。针对与柱壳容器，开孔之后会导致其受到接管弹性约束的影响，导致容器主管的开孔附近受到薄膜应力状态轴向力以及环向力的影响，出现弯矩以及扭矩等问题。为了提升整体稳定性，在实践中针对一些大开孔设计y要通过科学合理的方式分析受力状况，进而保障施工安全性，提升整体质量。 2.压力容器圆筒大开孔补强计算方法 2.1压力面积法 通过欧盟标准压力面积法，综合我国实际状况，在被开孔削弱面积补在孔的周围，给出其需药补强的具体面积，不计孔周边的应力集中问题。开孔补强设计主要的要求就是基于结构进行静力强度分析，基于一次应力强度出发，分析开孔边缘二次应力安定性。综合其安全系数以及实践经验系统分析。此种方式对于开孔边缘的应力强度进行
分析是否满足一次总体以及局部中对于薄膜应力静力强度要求。通过对补强范围材料平均薄膜应力控制的方式达到进行应力强度的控制与管理，要保障其在一倍的许用应力。综合压力在壳体受压面积产生的荷载以及有效补强范围中的课题、接管。补强材料面积承载能力平衡的相关静力平衡条件则可以确定其进行接管补强计算的方式。在壳体以及接管、补强材料相同的时候要根据以下公式进行补强计算公式为：P表示的是设计压力。 2.2分析法 分析法就是根据弹性薄壳理论获得的应力分析方式。主要就是在内压作用之下其具有径向接管圆筒开孔的补强设计分析。分析法设计准则与压力面积法之间具有一定的差别。此种方式的模型假定接管以及壳体属于连续性的整体型结构，其计算模型如下图所示。在应用分析法的时候，要保障焊接接头的质量，保障其整体焊透性。分析法在设计中主要就是基于塑性极限以及安定分析确定，通过保障其一次加载的时候具有充足的塑性承载能力，具有反复加载的安定要求，进而确定其开孔安全性。此种方式有效的拓展了圆柱壳开孔补强设计的适用范围。圆柱壳开孔接管理论中的力学技术主要就是综合Morley方程，通过导出并且利用两正交相贯圆柱壳位于交贯线位置中精确的连续条件，则可以确定在内压以及外载作用之下圆柱壳开孔接管中的薄
压力容器设计开孔补 强
开孔补强 4.5.5.5等面积补强的分析与计算 ■等面积补强----壳体承受应力所必需的金属截面，因开孔被削去多少，就必须在开孔周围的补强范围内补回同样截面的金属面积。 有效补强的金属面积大于或等于开孔削弱的金属面积 A 、判断是否可以不补强和不作进一步补强计算 （1）强度裕量（开孔后仍有的） ●容器实际壁厚大于计算壁厚（δ δ e ） ●接管厚度大于计算厚度（t et δδ ） ●接管根部有填角焊缝 ●所开孔不在焊缝处，但壁厚计算的中径公式仍考虑了焊缝系数，计算壁厚有裕量。 （2）GB150-1998对不另行补强的规定 同时满足下列条件时，开孔后可不另行补强： ① MPa p c 5.2≤
②相邻两孔中心的距离() 2d d +≥ ③接管公称直径mm d nt 89≤ ④接管最小壁厚满足下列要求 B 、等面积补强计算 （1）所需最小补强面积
开孔直径：C d d i 2+= 接管有效壁厚：C nt et -=δδ 接管有效面积： et t A δδ2= 接管转化为壳体的当量面积： [][] r t t t t t t f A A A == σσ/ [][]? ? ? ???=t t t r f σσ,0.1min )1(2) 1(/ r et r t t t f f A A A A -=-=-=?δδ ΔA-----弥补 [] [] t t t σσ≤而需增加的面积；或接管有效 承载面积的折减量。 ■圆柱壳 )1(2r et f d A -+=δδδ
■外压柱壳或球壳 [])1(25.0r et f d A -+=δδδ ■平盖 p d A δ5.0= 注：上述平盖和外压容器的公式来由参见丁伯民《压力容器设计----原理及应用》 对平盖和外压容器，决定壳体厚度或承载能力的是弯曲应力，开孔削弱的是抗弯截面模量（而不是壁厚截面积）。为保证开空前后的抗弯截面模量相等（w=w 0），要求k=A/A 0=1/(2+S/S 0)，为保守起见，取k=0.5。s —补强圈厚度，s 0----平盖厚度；A----补强面积，A 0----开孔削弱面积。 （2）补强范围 ■有效宽度B {}max 2,(22)n nt B d d δδ=++ ■接管外侧高度h 1 {} 接管实际外伸高度,min 1nt d h δ= ■接管内侧高度h 2
压力容器的开孔与补强 本章重点内容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax = t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension
压力容器的开孔与补强 本章重点容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax = t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension
使用SW6―2011计算压力容器开孔补强的几个问题 0 引言 为满足工艺或结构需要，在压力容器设计中开孔是必不可少的。容器开孔接管后会引起开孔或接管部位的应力集中，再加上接管上会有各种外载荷所产生的应力及热应力，以及容器材料和制造缺陷等各种因素的综合作用，使得开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位。虽然标准和规范对设计和计算都作了较为详细的规定，但在使用SW6-2011过程设备强度计算软件计算开孔补强时需要注意对标准规范中有关定义的理解和把握，灵活运用软件，必要时对有关数据进行调整，才能得到正确的结论，保证设备的安全可靠性。 1 补强方法及适用范围 1.1 计算时应注意的问题 在使用SW6-2011计算开孔补强之前要先判断接管的直径和壁厚是否满足GB150.3-2011中6.1.3不另行补强的最大开孔直径[1]的要求，满足要求的可以不进行计算，没有进行判断直接输入数据的，生成计算书会显示满足不另行补强的最大开孔直径的要求，不予进行计算。还需要注意的是单个孔开孔补强计算合格，然而该孔的有效补强区B=2d范围内还有其他开孔，形成孔桥的，则应按孔桥处理。在计算两相邻开孔中心的间距或者任意两孔中心的间距时对曲面间距应按弧长计算，按照弦长或中心线
垂直距离计算是不正确的。 1.2 补强计算方法及适用范围的理解 SW6-2011补强计算方法给出四种：等面积补强法、另一补强方法、分析方法和压力面积法。 计算软件中的等面积补强法是指单个开孔的等面积法，联合补强法是指多个开孔的等面积法。等面积法是开孔补强计算方法中最广泛应用的计算方法，该法是以补偿开孔局部截面的一次拉伸强度作为补强准则的，是以无限大平板上开有小圆孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，对开孔边缘的二次应力的安定性问题是通过限制开孔形状，长短径之比和开孔范围（开孔率）间接考虑的[2]，使用该法应考虑开孔是否满足GB150.3-2011中6.1.1的规定。对于承受静载的压力容器开孔，长期实践证明该法在允许使用范围内，其补强结果是比较安全可靠的。分析法是根据弹性薄壳理论得到的应力分析法用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计，其开孔率可达0.9。压力面积法为HG20582-2011大开孔的补强计算[3]中介绍的补强方法，其开孔率可达0.8。分析法和压力面积法都是适用于大开孔径向接管补强计算的，不能计算斜接管。大开孔即超出等面积补强法适用范围的开孔。而且分析法只能用在筒体上的开孔，封头上的大开孔应用压力面积法计算，但在我国压力面积法尚不能作为合法的设计依据，该方法只能参考使用。压力面积法和等面积法一样，都不适用于有疲劳强度要
压力容器开孔补强方法比较 摘要在工程应用中经常需要为了满足各种工艺和结构上的要求在压力容器上开孔和安装接管。容器开孔以后，一方面削弱了器壁的强度，于是降低了容器的承载能力；另一方面，器壁开孔和接管破坏了原来结构的连续性，在开孔附近导致很高的应力集中，成为容器的薄弱环节。 关键词压力容器；开孔；补强方法；比较 目前，用于压力容器的开孔补强设计方法主要有等面积补强法、弹性应力分析法、极限分析法、美国压力容器研究委员会建议草案（以下简称PVRC法）、实验屈服法和压力面积法。现就PVRC法、实验屈服法和压力面积法进行比较。UDS系统提供了一种在数据库管理系统外围增加一套安全控制机制的方式，有针对性地解决了数据库连接密码固定不变的问题，能够根据用户制定的密码保护等级的要求周期性地随机生成新的合法密码，使得在不影响数据库信息和较少影响数据库访问及基于数据库的应用系统的开发这些前提下能够充分保障数据库中数据信息的机密性和有效性，并且能够支持多种关系数据库产品。 1 基本原理 1.1 PVRC法 美国PVRC通过对大量整体锻件补强结构的实验分析后提出下面的补强准则：接管与筒体或壳体发生全域塑性失效时的极限压力等于未开孔时筒体或壳体的屈服压力（即p1=0.98ps）,并且允许开孔或接管处最大应力为3倍许用应力（亦即σmax=3[σ]）。GB150-89《钢制压力容器》规定的适用范围为：1）适用于承受内压的圆筒、球壳及凸形封头（在以封头中心为中心80%封头内直径范围内）的径向单个圆形开孔的补强设计；2）两相邻开孔边缘的间距不得小于2.5[S（Di+Sn）/2]1/2；3）在圆筒上，最大开孔尺寸应为d/Di≤1/3，d/（DiStr2/S）1/2≤1.5,且Di/Sd 为10~100；4）在球壳和封头上最大开孔尺寸应为d/（2R）≤0.5, d/（2RS）1/2≤0.8，而且2R/Sd为10~100；5）如用接管和补强件补强，则应与壳体焊成整体，且采用全熔透焊缝，过渡部分需要考虑过渡半径并打磨光滑；6）接管、补强件和壳体所用材料的标准常温抗拉强度与屈服强度之比σb/σs≥1.5。 1.2 实验屈服法 实验屈服法又称削弱系数法，它对压力容器上不同尺寸的开孔垂直接管，进行一系列压力实验，由开孔接管与壳体连接部位的最大应力达到屈服并产生不大于1%塑性变形所需的应力，导出不同的容器开孔系数与容器接管的壁厚比所对应的削弱系数，绘出曲线图。作补强设计时，需将削弱系数值代入壳体厚度公式中，通过曲线图反复求取容器壁厚，直到满足要求。可见，实验屈服法是建立在实验基础上的。它的塑性变形接近于塑性失效的极限状态，亦属于塑性安定性的一种设计准则。其适用范围：1）内压圆筒、锥壳和球壳的径向圆形开孔，而且
ASME 压力容器开孔补强要求 开孔的形状 圆形筒体或锥壳、封头上的开孔最好采用圆形、椭圆或长圆形状，但规范并不限制使用其它形状的封头。 当长圆或椭圆的开孔长、短径之比大于2:1，横跨短径的补强面积应增加，以防止由于扭矩产生的变形。 UG-36(b)开孔的尺寸 对于壳体内径≤60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/2，最大不超过20”(508 mm)。 对于壳体内径>60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/3，最大不超过40”(1000 mm)。 如果开孔超过上述限制，除要满足UG-36至UG-43的要求外，还须满足附录1-7的补充要求。 成形封头和球形壳上经过正确补强的开孔无尺寸限制。当开孔的尺寸大于与封头相连的壳体直径的1/2时，可以使用锥壳过渡段来代替补强。见UG-36(b)(2)(a-d)。 UG-36(c)(3)壳体和成形封头上开孔免除开孔补强计算 容器上的开孔如果不承受压力的快速波动，在满足以下要求的情况下，开孔除自身结构的补强外，不须另外补强。 对于焊接或钎接接头，最终开孔的直径不大于： 3-1/2 in. (89 mm)–壳体或封头的厚度≤3/8 in. (10 mm)； 2-3/8 in. (60 mm) – 壳体或封头的厚度>3/8 in. (10 mm)。 对于螺纹连接或胀接接头，壳体和封头上的开孔直径不超过2-3/8 in. (60 mm). 任何两个未加补强的开孔，其中心距不得小于两孔直径之和。 三个或三个以上开孔群中任意两个未加补强的开孔孔心距不得小于： ))(cos 5.11( 21d d ++θ-对于圆形筒体和锥壳； )(5.221d d +-对于具有双曲率的壳体和封头。 UG-36(d) 开孔可以开在焊缝上，见UW-14。 UG-39(a)平封头上开孔免除补强计算 单个开孔，其尺寸不超过UG-36(c)(3)(a)和(b)的限制、 并且封头直径或短径的1/4时，可免除补强计算。
2021年压力容器常用开孔补强 方法对比分析 Safety management is an important part of enterprise production management. The object is the state management and control of all people, objects and environments in production. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0148
2021年压力容器常用开孔补强方法对比分 析 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。
开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。